聂立波教授课题组《Bioelectrochemistry》：基于铜纳米簇的生物条形码-表面引发酶聚合级联放大DNA电化学检测
聂立波教授团队在《Bioelectrochemistry》期刊发表基于铜纳米簇的生物条形码-表面引发酶聚合级联放大DNA电化学检测，用于胃癌相关基因的早期诊断。
癌症的早期诊断对于其治疗和预防具有至关重要的意义。然而，在疾病初期，体内相关DNA标志物浓度往往极低，传统的检测方法可能无法准确检测到疾病的存在，这可能导致治疗的延误或无效，对于疾病的早期诊断和及时治疗提出了较大的挑战。
本研究针对传统检测方法在痕量DNA检测中灵敏度不足的问题，设计了一种基于金纳米颗粒-还原氧化石墨烯（AuNPs-rGO）修饰电极的级联信号放大电化学DNA传感器。该传感器在电极表面修饰金纳米颗粒-还原氧化石墨烯（AuNPs-rGO），并结合生物条形码扩增（Bio-Barcode Amplification, BCA）和表面引发酶聚合（Surface-Initiated Enzyme Polymerization, SIEP）双重信号放大策略，以延伸的大量poly T链介导Cu2+还原成铜纳米簇（CuNCs），从而将微弱的胃癌靶DNA信号转换为级联放大的电化学信号，实现对胃癌靶DNA的高特异性和超灵敏电化学检测（图1）。具体技术路线如下：1.制备纳米金-还原氧化石墨烯（AuNPs-rGO）修饰的玻碳电极；2.生物条形码探针构建：通过二氧化硅纳米颗粒（SiO₂）表面共价偶联聚胸腺嘧啶（poly T）及互补DNA探针（P2），制备P2-SiO2-T30条形码探针生物条形码探针；3.夹心杂交捕获：目标DNA（tDNA）通过Au-S键固定于AuNPs-rGO修饰电极表面，与生物条形码探针形成夹心结构，实现第一级信号扩增；4.表面引发酶聚合poly T链延伸：末端脱氧核苷酸转移酶（TdT）催化条形码探针的poly T链延伸，通过T-Cu²⁺配位作用结合更多CuNCs，完成第二级信号放大。
图1 基于铜纳米簇的生物条形码-表面引发酶聚合级联放大DNA电化学检测原理图
结果表明，该传感器对靶DNA的检测限低至0.13 fM，线性响应范围为1 fM～1 nM，较同类技术相比，具有更高的灵敏度。此外，该传感器能够有效区分完全匹配、单碱基错配和双碱基错配的DNA序列（信噪比>10:1），展现出卓越的选择性。重复性测试显示，同一传感器对100 pM和1 fM tDNA检测的相对标准偏差（RSD）分别为3.2%和3.9%；不同批次传感器间的RSD低于4.2%，表明其具有优异的重复性与稳定性。
图2 裸GCE电极(A)和AuNPs-rGO/GCE修饰电极(B)在不同扫速下的循环伏安曲线
图3 电极反应各步骤在5 mM [Fe(CN)6]3−/4−包含0.1 M KCl的溶液中的循环伏安曲线(A)和电化学阻抗图(B)。a-g分别为裸GCE; AuNPs-rGO/GCE; P1/AuNPs-rGO/GCE; MCH/P1/AuNPs-rGO/GCE; tDNA/MCH/P1/AuNPs- rGO/GCE; biobarcode探针/tDNA/MCH/P1/AuNPs-rGO/GCE; poly T/ biobarcode探针/ tDNA/MCH/P1/AuNPs-rGO/GCE
图4 DNA传感器的检测灵敏度、特异性、稳定性。（A）不同靶DNA浓度下的电化学检测信号；(B)靶DNA浓度对数值与SWV峰电流的线性关系； (C)不同DNA序列的电化学检测信号； (D) DNA生物传感器的稳定性
本研究提出了一种基于铜纳米簇的生物条形码-表面引发酶聚合级联放大DNA电化学检测策略，为胃癌早期筛查提供了一种新方案。该传感器具有高灵敏性，可清楚地区分正配DNA和不同程度的错配DNA，展现出良好的特异性。同时，该传感器在DNA检测中表现出优异的重复性、再现性和稳定性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2024.108857
